DE4431899A1

DE4431899A1 - Measuring device

Info

Publication number: DE4431899A1
Application number: DE4431899A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Holzapfel; Walter Dipl Ing Huber
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 1995-08-24
Also published as: DE59507626D1; DE59508237D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a measuring device according to the preamble of claim 1.

In der DE 34 16 864-C2 wird eine Referenzmarke be schrieben, deren Teilungsmarkierungen auf dem Maß stab als transversale Phasengitter ausgebildet sind. Takt- und Gegentaktsignal lassen sich aus einem Referenzmarkenfeld ableiten.DE 34 16 864-C2 uses a reference mark wrote whose division marks on the measure rod designed as a transverse phase grating are. Clock and push-pull signals can be omitted derive from a reference mark field.

In SU 1292181 A1 wird eine ähnliche Vorrichtung beschrieben, bei der eine codierte Maßstabteilung abgetastet wird, deren Teilungsmarkierungen in Form von transversalen Phasengittern ausgebildet sind. Die Gitterkonstanten dieser transversalen Phasen gitter einzelner Teilungsmarkierungen sind unter schiedlich, so daß das auftreffende Licht in unter schiedliche Richtungen abgelenkt und von verschie denen Photoelementen erfaßt wird. Die transversalen Phasengitter sind nichtperiodisch (gechirpt) als zylindrische Fresnelzonenplatten ausgebildet, um das auftreffende kollimierte Licht in einer Rich tung zu fokussieren.In SU 1292181 A1 there is a similar device described in which a coded scale division is scanned, the division marks in the form are formed by transverse phase gratings. The lattice constants of these transverse phases grids of individual division marks are below different, so that the incident light in under different directions distracted and different which photo elements is detected. The transversal Phase gratings are non-periodic (chirped) as cylindrical Fresnel zone plates designed to the collimated light hitting in a rich focus.

Beiden genannten Schriften ist gemeinsam, daß das von der Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel nur einmal mit den transversalen Phasengittern des Maß stabes wechselwirkt. Das Strahlenbündel wird dabei transversal in verschiedene Teilstrahlenbündel auf gespalten, die im weiteren Strahlenverlauf nicht mehr überlagert werden. Um eine nennenswerte trans versale Aufspaltung dieser Teilstrahlenbündel zu erreichen, muß die Gitterkonstante der transver salen Phasenteilungen sehr klein sein. Dies ist vor allem deshalb ungünstig, weil dieses feine trans versale Phasengitter auf dem Maßstab aufgebracht werden muß, der auch größere Abmessungen annehmen kann, so daß hohe Anforderungen an die Herstel lungsverfahren gestellt werden müssen und die Her stellungskosten erheblich steigen.Common to both writings is that the beams from the light source only once with the transverse phase grids of measure stable interaction. The bundle of rays becomes transversely into different partial beams split that not in the further ray path more overlaid. To a significant trans vertical splitting of these partial beams must reach the lattice constant of the transver salen phase splits can be very small. This is before all unfavorable because this fine trans Versal phase grating applied to the scale must be, which also assume larger dimensions can, so that high demands on the manufacturer must be put in place and the manufacturer service costs rise significantly.

Weiterhin ist festzustellen, daß die in DE 34 16 864-C2 beschriebene Referenzmarke auf dem Prinzip des Schattenwurfes beruht. Kurze Impulse lassen sich deshalb nur in einem sehr kleinen Abtastab stand generieren.It should also be noted that the in DE 34 16 864-C2 described reference mark on the principle of the shadow cast. Let short impulses therefore only in a very small scan generate stand.

Die EP 0 363 620-B2 zeigt, daß kurze Referenzim pulse durch zwei leicht verschobene Referenzmarken felder mit einer Schattenwurf-Abtastung erzeugt werden. Die Trennung der Strahlenbündel der Refe renzimpuls-Eintaktsignale untereinander und der Inkrementalsignale erfordern bestimmte optische Konfigurationen die zu großen Abmessungen des Abtastkopfes führen. Außerdem sind mindestens drei Fotoelemente und entsprechend viele elektrische Signalleitungen allein für die Referenzmarke erfor derlich.EP 0 363 620-B2 shows that short reference im pulse through two slightly shifted reference marks fields created with a shadow cast scan become. The separation of the rays of the refe renzimpuls single-ended signals with each other and the Incremental signals require certain optical Configurations that are too large Lead scanning head. There are also at least three Photo elements and a corresponding number of electrical ones Signal lines for the reference mark only such.

Gemäß EP 0 513 427-A1 wird mit Hilfe von gechirpten Teilungen und einer interferentiellen Abtastung ein kurzer Referenzimpuls in einem großen Abtastabstand erzeugt. Das Abtastprinzip erfordert die Trennung der aus der Teilungsanordnung austretenden resul tierenden Beugungsordnungen auf verschiedene Foto elemente. Sollen breitere Referenzimpulse erzeugt werden, so benötigt man größere lokale Teilungs perioden der gechirpten Teilungen und zur Trennung der Beugungsordnungen dementsprechend längere Lin senbrennweiten. Eine kleine Bauform des Abtast kopfes ist dann ebenfalls nicht realisierbar.According to EP 0 513 427-A1, chirping is used Divisions and an interferential scan short reference pulse at a large sampling distance generated. The scanning principle requires separation the resul emerging from the divisional arrangement diffraction orders on different photo elements. Should generate wider reference pulses larger local division is needed periods of chirped divisions and separation of the diffraction orders accordingly longer Lin focal lengths. A small design of the scanner head is then also not feasible.

In der DE 42 12 281-C2 ist eine interferentielle Referenzmarke beschrieben, die aufgrund der Ver wendung einer Amplitudenabtastteilung anstelle ei ner Phasenteilung keine Trennung von resultierenden Beugungsordnungen mehr benötigt. Auf diese Weise lassen sich Referenzimpulse mit einer Breite auch größer als ca. 1 µm bei kleiner Bauform generieren. Die Abtastung mit einer Amplitudenstruktur verrin gert allerdings den Nutzanteil des Referenzimpul ses, so daß nur eine gleichzeitige Erzeugung von Takt- und Gegentaktsignalen aus einem Teilungsfeld eine ausreichende Störunempfindlichkeit gewährlei sten würde. Eine solche Einfeld-Gegentakt-Abtastung ist aber bei der beschriebenen Referenzmarke nicht möglich. DE 42 12 281-C2 is an interferential Described reference mark, which due to Ver using an amplitude sampling division instead of egg ner phase division no separation from resulting Diffraction orders needed more. In this way reference pulses with a width can also be Generate larger than approx. 1 µm with a small design. Reduce the sampling with an amplitude structure However, the useful part of the reference pulse ses, so that only a simultaneous generation of Clock and push-pull signals from a division field ensure sufficient immunity to interference would. Such a single-field push-pull scan but is not with the described reference mark possible.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung zur Erzeugung von inkrementalen, codierten oder Referenzsignalen anzugeben, die störunempfindlich ist und sich gleichzeitig einfach und in kleiner Bauform realisieren läßt.The object of the invention is a measuring device to generate incremental, encoded or Specify reference signals that are immune to interference is simple and small at the same time Design can be realized.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, bei einer der artigen Meßvorrichtung mit relativ einfachen Mit teln einen optischen Abgleich der Meßsignale zu realisieren.The object of the invention is also in one of the like measuring device with relatively simple with an optical comparison of the measurement signals realize.

Die Erfindung löst die gestellten Aufgaben mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2.The invention solves the problems with Features of claims 1 and 2.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die transversalen Phasengitter, die aufgrund ihrer kleinen Gitterkonstante hohe Anforderungen an die photolithographische Kopie stellen, nicht auf den Maßstab, sondern auf die wesentlich kleinere Ab tastplatte aufgebracht werden müssen. Da die erfin dungsgemäße Meßvorrichtung nach dem Auflichtprinzip arbeiten kann, bei dem die Strahlenbündel die Ab tastplatte zweimal durchlaufen, werden durch die Erfindungsmerkmale Meßsignale erhalten, die nicht oder innerhalb des zulässigen Bereiches nur gering fügig vom Abtastabstand abhängen.An advantage of the invention is that the transversal phase grating, due to their small lattice constant high demands on the Make a photolithographic copy, not on the Scale, but on the much smaller Ab touch plate must be applied. Since the inventions measuring device according to the incident light principle can work in which the beam of rays Ab Run through the touch plate twice, are by the Invention features receive measurement signals that are not or only slightly within the permissible range depend on the scanning distance.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Teilungsmarkierungen auf der Abtastplatte als auch auf dem Maßstab durch eine Phasenstruktur rea lisiert werden kann. Insbesondere die Ausbildung als Referenzmarke oder codierte Meßvorrichtung läßt sich damit besonders einfach zusammen mit den Pha senstrukturen eines inkrementalen Meßgerätes her stellen. Es sind dabei nicht mehr zusätzliche Ko pierschritte mit hoher Positioniergenauigkeit er forderlich.Another advantage of the invention is that the division marks on the scanning plate as also on the scale by a phase structure rea can be lized. Especially the training as a reference mark or coded measuring device easy with the Pha structures of an incremental measuring device put. There are no longer additional knockouts piercing steps with high positioning accuracy conducive.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfin dung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.With the help of exemplary embodiments, the inven dung explained with reference to the drawings.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Meßvorrichtung; Figure 1 is a schematically illustrated measuring device.

Fig. 2 eine um 90° verdrehte Ansicht einer Meßvorrichtung gemäß Fig. 1; FIG. 2 is a view rotated by 90 ° of a measuring device according to FIG. 1;

Fig. 3 Abtastplatte und Meßteilung ei ner Meßvorrichtung; Fig. 3 scanning plate and graduation egg ner measuring device;

Fig. 4 eine Variante von Fig. 3; Fig. 4 shows a variant of Fig. 3;

Fig. 5 eine schematisch dargestellte inkrementale Meßvorrichtung; Fig. 5 is a schematically illustrated incremental measuring device;

Fig. 6 eine um 90° verdrehte Meßvor richtung gemäß Fig. 5; Fig. 6 rotated by 90 ° Meßvor direction shown in FIG. 5;

Fig. 7 eine Abtastplatte für eine in Fig. 7 is a scanning plate for an in

Fig. 8 gezeigte Meßteilung; Fig. 8 measuring graduation shown;

Fig. 9 eine Variante einer Abtastplat te; Fig. 9 is a variant of a te Abtastplat;

Fig. 10a bis 10d verschiedene Strahlengänge; FIG. 10a to 10d different beam paths;

Fig. 11 ein Optik-Schema; FIG. 11 is an optical scheme;

Fig. 12 Intensitätsverlauf in der Brenn ebene; Fig. 12 intensity curve in the focal plane;

Fig. 13 einen Ausschnitt eines Maßstabes und einer Abtastplatte zum Ab gleich eines Referenzmarkensi gnals; FIG. 13 is a section of a scale and a scanning for Ab equal to a Referenzmarkensi gnals;

Fig. 14 einen Signalverlauf des Takt- und Gegentaktsignals zur Erzeu gung eines Referenzimpulses; FIG. 14 is a waveform of the clock and counter clock signal supply for the generation of a reference pulse;

Fig. 15 Signalverläufe zur Erzeugung des Taktsignales gemäß Fig. 14; FIG. 15 is a timing chart for generating the clock signal in accordance with Fig. 14;

Fig. 16 Signalverläufe zur Erzeugung des Gegentaktsignales gemäß Fig. 14 und Fig. 16 waveforms for generating the push-pull signal shown in FIG. 14 and

Fig. 17 einen weiteren Maßstab und eine weitere Abtastplatte zum Ab gleich. Fig. 17 shows another scale and another scanning plate for the same.

Fig. 1 zeigt schematisch eine inkrementale Meßvor richtung mit einer Referenzmarkenanordnung. Das Licht einer Lichtquelle L wird durch eine Linse K kollimiert und beleuchtet eine Anordnung bestehend aus einer Abtastplatte A und einem reflektierenden Maßstab M. Die Abtastplatte A wird zweimal durch laufen. Die Kollimatorlinse K lenkt das austretende Lichtbündel auf mehrere Fotoelemente D0, D±1, die ein Takt- bzw. ein Gegentaktsignal liefern. Der Maßstab M trägt gemäß Fig. 3 und 4 eine gechirpte Phasenteilung TM. Die Teilung TA der Abtastplatte A besteht aus einer in Meßrichtung X gechirpten Pha senstruktur, die sich zusammensetzt aus transparen ten Lücken GL und strukturierten Stegen GS, wobei sich die Breite und der Abstand der Stege GS stetig in Meßrichtung ändert. Die strukturierten Stege GS sind streifenförmige, periodische Phasengitter, deren Stege zumindest weitgehend parallel zur Meß richtung verlaufen. Diese Gitterstreifen GS lenken das Licht in verschiedene "transversale" Beugungs ordnungen senkrecht zur Meßrichtung ab. Sie sind so ausgebildet, daß die nullte transversale Beugungs ordnung des Gitterstreifens unterdrückt wird. Die Wirkung dieser Abtaststruktur läßt sich am einfach sten verstehen, wenn man nacheinander die in ver schiedene transversale Beugungsordnungen abgelenk ten Lichtbündel betrachtet: In nullter transversa ler Beugungsordnung tritt Licht durch die Lücken GL, nicht aber durch die strukturierten Stege GS. Die Abtaststruktur erscheint deshalb als gechirpte Amplitudenteilung mit transparenten Lücken GL und opaken Stegen GS. Betrachtet man in ±1. transver saler Beugungsordnung, so erhält man kein Licht mehr von den Lücken GL, dafür aber Licht von den Stegen GS. Die Abtaststruktur erscheint als inverse gechirpte Amplitudenteilung mit opaken Lücken GL und transparenten Stegen GS. Fig. 1 shows schematically an incremental Meßvor direction with a reference mark arrangement. The light from a light source L is collimated by a lens K and illuminates an arrangement consisting of a scanning plate A and a reflecting scale M. The scanning plate A is run through twice. The collimator lens K directs the emerging light beam onto several photo elements D0, D ± 1, which deliver a clock or a push-pull signal. The scale M carries a chirped phase division TM according to FIGS . 3 and 4. The division TA of the scanning plate A consists of a chirped phase X in the measuring direction, which is composed of transparent gaps GL and structured webs GS, the width and distance of the webs GS constantly changing in the measuring direction. The structured webs GS are strip-shaped, periodic phase gratings, the webs of which run at least largely parallel to the measuring direction. These grating strips GS deflect the light into various "transverse" diffraction orders perpendicular to the measuring direction. They are designed so that the zeroth transverse diffraction order of the grating strip is suppressed. The effect of this scanning structure is easiest to understand when one consecutively looks at the light beams deflected into different transverse diffraction orders: In the zero transverse diffraction order, light passes through the gaps GL, but not through the structured webs GS. The scanning structure therefore appears as a chirped amplitude division with transparent gaps GL and opaque bars GS. Looking at ± 1. transversal diffraction order, so you no longer get light from the gaps GL, but light from the bars GS. The scanning structure appears as an inverse chirped amplitude division with opaque gaps GL and transparent bars GS.

Im folgenden werden die Strahlenbündel, die beim ersten Durchgang durch die Abtastplatte A in n-ter und beim zweiten Durchgang in m-ter transversaler Beugungsordnung abgelenkt werden als n/m-Strahlen bündel bezeichnet. Das 0/0-Strahlenbündel tritt in nullter resultierender Beugungsordnung aus der Tei lungsanordnung aus und trifft auf das Fotoelement D0. Dieses Strahlenbündel "sieht" bei beiden Durch gängen die Abtaststruktur als reguläre (d. h. nicht inverse) Amplitudenteilung und erzeugt einen ent sprechenden Signalanteil. Insbesondere bestimmen die Stegkantenpositionen der gechirpten Teilungen den Signalverlauf dieses Signalanteils und können beispielsweise so gewählt werden, daß ein Takt- oder ein Gegentaktsignalanteil erzeugt wird.In the following, the beams of rays that are at first pass through the scanning plate A in nth and in the second pass in m-th transverse Diffraction order are deflected as n / m rays called bundle. The 0/0 beam enters zeroth resulting diffraction order from the Tei arrangement and hits the photo element D0. This bundle of rays "sees" through both would consider the sample structure to be regular (i.e. not inverse) amplitude division and generates an ent speaking signal component. Specifically determine the web edge positions of the chirped divisions the signal curve of this signal component and can For example, be chosen so that a clock or a push-pull signal component is generated.

Das +1/-1 - und das -1/+1 - Strahlenbündel tritt ebenfalls in nullter resultierender Beugungsordnung aus und wird auf das Fotoelement D0 gelenkt. In diesen Fällen wirkt die Abtaststruktur zweimal als inverse Amplitudenteilung. Bei einer lokalen Be trachtung entspricht der Übergang von einer regu lären zu einer inversen Amplitudenteilung einer Verschiebung der Abtastplatte A um eine halbe Tei lungsperiode. Beim hier vorliegenden interferen tiellen Abtastprinzip (Überlagerung einer +1. und einer -1. Beugungsordnung des Maßstabs M; eine Tei lungsperiode = zwei Signalperioden) führt eine sol che Verschiebung zu einer Phasenänderung des Si gnals um 360° d. h. zur ursprünglichen Phasenlage. Der Übergang zu einer inversen Amplitudenteilung ändert deshalb nicht die Signalform, so daß das +1/-1 und das -1/+1 - Strahlenbündel ebenso modu liert sind wie das 0/0 - Strahlenbündel. Das glei che gilt für alle anderen, auf D0 gelangenden n/-n - Strahlenbündel.The + 1 / -1 - and the -1 / + 1 - bundle of rays occurs also in the zero resulting diffraction order and is directed onto the photo element D0. In In these cases the scanning structure acts twice as inverse amplitude division. At a local Be the transition from a regu to an inverse amplitude division of a Shift the scanning plate A by half a part period. In the present interferen tial scanning principle (superposition of a +1 and one -1. Diffraction order of the scale M; a part period = two signal periods) leads a sol che shift to a phase change of the Si gnals by 360 ° d. H. to the original phase position. The transition to an inverse amplitude division therefore does not change the waveform, so that + 1 / -1 and the -1 / + 1 - beam also modu are like the 0/0 beam. The same che applies to all other n / s arriving at D0 - bundle of rays.

Das ±1/0 und das 0/±1 - Strahlenbündel tritt in ±1. resultierender Beugungsordnung aus und gelangt auf die Fotoelemente D±1. Bei diesen strahlenbündeln wirkt die Abtaststruktur einmal als reguläre und einmal als inverse Amplitudenteilung. Der Signal verlauf der zugehörigen Signalanteile von D+1 und D-1 ist aus Symmetriegründen identisch. Eine ge nauere Analyse zeigt, daß diese Signalanteile in vers zu dem Signal des Fotoelements D0 moduliert sind. Liefert das Fotoelement D0 beispielsweise ein Taktsignal (Gegentaktsignal), so erhält man über D+1 oder auch D-1 ein zügehöriges Gegentaktsignal (Taktsignal). Man erhält somit die gewünschte Ein feld-Gegentakt-Abtastung.The ± 1/0 and the 0 / ± 1 beam occurs in ± 1. resulting diffraction order and comes up the photo elements D ± 1. With these beams the scanning structure acts as regular and once as an inverse amplitude division. The signal course of the associated signal components of D + 1 and D-1 is identical for reasons of symmetry. A ge closer analysis shows that these signal components in verse modulated to the signal of the photo element D0 are. Returns the photo element D0, for example Clock signal (push-pull signal), so you get over D + 1 or D-1 an associated push-pull signal (Clock signal). You get the desired on field push-pull sampling.

Unter Berücksichtigung aller beliebigen n/m -Strah lenbündel erweist es sich als besonders günstig, alle geraden transversalen Beugungsordnungen der strukturierten Stege GS zu unterdrücken, indem diese beispielsweise als Stufengitter mit gleichen Steg- und Lückenbreiten sowie einer Phasentiefe von 180° ausgebildet sind. Außerdem ist es vorteilhaft, die lokale Breite der Stege GS und der Lücken GL der gechirpten Teilung gleich zu wählen.Taking into account any n / m beam lenbündel it proves to be particularly cheap, all straight transverse diffraction orders of the to suppress structured webs GS by these, for example, as step grids with the same Bridge and gap widths and a phase depth of Are formed 180 °. It is also advantageous the local width of the webs GS and the gaps GL the chirped division.

Arbeitet die Meßvorrichtung nach einem interferen tiellen Abtastverfahren, ist es weiterhin vorteil haft, daß der Maßstab M so ausgebildet ist, daß die nullte Beugungsordnung unterdrückt wird.The measuring device works after an interfering tial scanning, it is still advantageous liable that the scale M is designed so that the zeroth diffraction order is suppressed.

Die Strahlenbündel, die beim ersten Durchgang durch die Abtastplatte A in verschiedene transversale Beugungsordnungen aufgespalten werden, überlagern sich beim zweiten Durchgang jeweils in den einzel nen resultierenden Beugungsordnungen. Diese Über lagerung muß inkohärent erfolgen, da bei einer ko härenten Überlagerung die unterschiedlichen opti schen Weglängen zu einer starken Abhängigkeit der Signalform vom Abtastabstand führen würden. Eine inkohärente Überlagerung bedeutet dabei nicht, daß die einzelnen Teilstrahlenbündel, die überlagert werden, nicht mehr interferieren dürfen. Es kann ebenso über eine Mittelung vieler verschiedener Weglängenunterschiede der interferierenden Teil strahlenbündel erreicht werden, so daß in der Summe der von der Lichtquelle ausgehenden und von den Fotoelementen erfaßten Strahlenbündel keine ein heitliche konstruktive oder destruktive Interferenz mehr auftritt, d. h. eine inkohärente Überlagerung der Summe der Teilstrahlenbündel erreicht wird. Die Erzeugung verschiedener Weglängenunterschiede d. h. die inkohärente Überlagerung kann durch verschiede ne optische Mittel erzielt werden, wobei es uner heblich ist, ob es sich um eine Meßvorrichtung mit inkrementalen, codierten oder Referenzsignalen han delt.The rays that pass through the first pass the scanning plate A in different transversal Diffraction orders are split up, superimposed in the second round in the individual resulting diffraction orders. This about storage must be incoherent, since with a knockout inherent overlay the different opti path lengths to a strong dependency of the Waveform would lead from the sampling distance. A incoherent overlay does not mean that the individual partial beams that are superimposed are no longer allowed to interfere. It can also by averaging many different ones Path length differences of the interfering part beams can be reached, so that in total that of the light source and of the Beams of rays captured no photo elements uniform constructive or destructive interference more occurs, d. H. an incoherent overlay the sum of the partial beams is reached. The Generation of different path length differences d. H. the incoherent overlay can be different ne optical means can be achieved, it is not is significant whether it is a measuring device with incremental, coded or reference signals han delt.

Eine inkohärente Überlagerung kann erreicht werden durch eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle L mit einem breiten Wellenlängenspektrum. Als eine solche räumlich und zeitlich inkohärente Lichtquelle kann vorzugsweise eine LED verwendet werden, die bezogen auf die lichtemittierende Fläche einen länglichen Querschnitt aufweisen kann. In Fig. 10a bis 10b sind Ausführungsvarianten hierzu gezeigt.An incoherent superposition can be achieved by a spatially extended light source L with a broad wavelength spectrum. As such a spatially and temporally incoherent light source, an LED can preferably be used, which can have an elongated cross section with respect to the light-emitting surface. In FIGS. 10a to 10b variants are shown for this purpose.

Der Abtastabstand, d. h. der Abstand zwischen der Abtastplatte A und dem Maßstab M wird in Fig. 10a so groß gewählt, daß die Weglängenunterschiede S₂- S₁ größer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle werden und die beim ersten Durchgang durch die Abtastplatte A in verschiedene transversale Beugungsordnungen aufgespaltenen Strahlenbündel, die beim zweiten Durchgang durch die Abtastplatte A′ überlagert werden, nicht miteinander interferieren können. Wenn keine weiteren Maßnahmen kombiniert werden, so muß der Abtastabstand entsprechend der transversalen Gitterkonstante und der spektralen Breite der Lichtquelle gewählt wer den.The scanning distance, that is, the distance between the scanning plate A and the scale M is chosen so large in Fig. 10a that the path length differences S₂-S₁ are greater than the coherence length of the light source and the split the first time through the scanning plate A into different transverse diffraction orders Beams that are superimposed on the second pass through the scanning plate A 'cannot interfere with each other. If no further measures are combined, the scanning distance must be chosen according to the transverse lattice constant and the spectral width of the light source.

Auch durch unterschiedliche Einfallsrichtungen Δ Θ (in y-Richtung) eines Teilstrahlenbündels gemäß Fig. 10b kann die Interferenz der oben genannten Teil-Strahlenbündel zerstört werden. Bei entspre chender Divergenz mitteln sich die abstandsabhängi gen Interferenzterme zu einem konstanten Wert. Die se Divergenz kann bei einer räumlich ausgedehnten Lichtquelle über eine entsprechend kurze Brennweite des Kollimators erreicht werden. Sie kann aber auch durch einen zumindest in y-Richtung konvergenten oder divergenten Beleuchtungsstrahlengang mit Hilfe z. B. einer astigmatischen Beleuchtungsoptik erzeugt werden. Eine in y-Richtung fokussierende Zylinder linse, die vor der 1. Abtastplatte angeordnet ist, ist besonders vorteilhaft.The interference of the above-mentioned partial beams can also be destroyed by different directions of incidence Δ Θ (in the y-direction) of a partial beam according to FIG. 10b. With corresponding divergence, the distance-dependent interference terms are averaged to a constant value. This divergence can be achieved with a spatially extended light source over a correspondingly short focal length of the collimator. However, it can also be achieved by an at least convergent or divergent illumination beam path in the y direction with the aid of e.g. B. an astigmatic lighting optics. A cylinder lens focusing in the y direction, which is arranged in front of the 1st scanning plate, is particularly advantageous.

Eine ähnliche Wirkung wie mit Zylinderlinsen läßt sich durch ein gechirptes Transversalgitter gemäß Fig. 9 erzielen. In Fig. 10c entsteht durch die unterschiedlichen Ablenkwinkel des gechirpten Transversalgitters in y-Richtung nach dem 1. Durch gang durch die Abtastteilung ein in y-Richtung auf gefächertes Strahlenbündel (in 1. transversaler Beugungsordnung), so daß ebenfalls eine Mittelung auftritt. Die minimale (d_ymin) und die maximale (d_ymax) lokale transversale Gitterperiode müssen bei kollimierter Beleuchtung der Bedingung genügen:A similar effect as with cylindrical lenses can be achieved by a chirped transverse grating according to FIG. 9. In Fig. 10c arises from the different deflection angles of the chirped transverse grating in the y-direction after the 1st pass through the scanning graduation in the y-direction to fanned beams (in the 1st transverse diffraction order) so that averaging also occurs. The minimum (d _y min) and the maximum (d _y max) local transverse grating period must meet the condition with collimated lighting:

Wird die transversale Gitterstruktur wie eine Fres nel-Zylinderlinse (Fresnelzonenplatte) ausgebildet, so läßt sich die abbildende Wirkung ausnutzen, in dem beispielsweise die Bildfeldwölbung der Kollima torlinse kompensiert wird.If the transverse lattice structure is like a Fres nel cylindrical lens (Fresnel zone plate), the imaging effect can be exploited in for example the field curvature of the collima goal lens is compensated.

Die Abtastplatte kann gemäß Fig. 10d gegenüber dem Maßstab gekippt werden (Kippachse = Teilungsrich tung = x-Richtung). Abhängig von der Höhe des ein fallenden Strahlenbündels (in y-Richtung) ergibt sich ein verschiedener weglängenunterschied der in transversaler Richtung aufgespaltenen Teilstrahlen bündel, so daß ebenfalls die gewünschte Mittelung auftritt.The scanning may as shown in Fig. 10d are tilted relative to the scale (= pitch tilt axis Rich tung = x-direction). Depending on the height of the incident beam (in the y direction), there is a different path length difference of the partial beams split in the transverse direction, so that the desired averaging also occurs.

Die oben erwähnte Fig. 9 zeigt eine Variation der Abtastplatte A′′, bei der die Teilungsmarkierungen GS′′ in Meßrichtung X periodisch angeordnet sind, bei der aber in transversaler Richtung Y eine Beu gungsstruktur vorgesehen ist, deren lokale Tei lungsperiode sich mit dem Ort stetig ändert. Die Abtastplatte A′′ ist also in Meßrichtung X perio disch, in transversaler Richtung Y aber "gechirpt".The above-mentioned Fig. 9 shows a variation of the scanning plate A '', in which the graduation marks GS '' are periodically arranged in the measuring direction X, but in which a diffraction structure is provided in the transverse direction Y, the local division period with the location constantly changing. The scanning plate A '' is so periodically in the measuring direction X, but "chirped" in the transverse direction Y.

In den Fig. 5 bis 8 ist eine inkrementale Meß vorrichtung schematisch dargestellt, die auf dem vorbeschriebenen Prinzip hinsichtlich der Kohärenz beruht. Lichtquelle L und Detektoren D0, D+1, D-1 entsprechen dabei denen, die zu Fig. 1 und 2 be schrieben wurden.In Figs. 5 to 8, an incremental measuring device is schematically illustrated which is based on the principle described above with regard to the coherence. Light source L and detectors D0, D + 1, D-1 correspond to those described for FIGS. 1 and 2 be.

Die Abtastplatte A′ weist dabei Teilungsmarkierun gen auf, die transversal zur Meßrichtung X als Pha sengitter ausgebildet sind. Der Abstand der Beu gungselemente GS′ gemäß Fig. 7 ändert sich nicht stetig mit dem Ort, wie etwa bei dem Ausführungs beispiel gemäß der Fig. 3 und 4, die speziell eine Referenzmarke betreffen.The scanning plate A 'has Teilungsmarkierun gene, which are formed transversely to the measuring direction X as Pha sengitter. The distance of the diffraction elements GS 'according to FIG. 7 does not change continuously with the location, such as in the embodiment example according to FIGS. 3 and 4, which specifically relate to a reference mark.

Die Fig. 11 zeigt eine Meßvorrichtung zur besonde ren Erläuterung der Zerstörung der kohärenten Über lagerung, wie insbesondere in Zusammenhang mit Fig. 10b erwähnt. Fig. 11 shows a measuring device for Customized ren explaining the destruction of the coherent superposition, in particular in connection with FIG. 10b mentioned.

Jeder Lichtquellenpunkt der ausgedehnten Licht quelle L liefert nach der Kollimation durch die Linse K, K′ ein Strahlenbündel mit einer defi nierten, vom Ort des Lichtquellenpunktes abhän gigen Strahlneigung relativ zur optischen Achse.Each light source point of the extended light source L returns after collimation by the Lens K, K 'a beam with a defi depend on the location of the light source point common beam inclination relative to the optical axis.

Jedes dieser Strahlenbündel wird beim ersten Durch gang durch die Abtastteilung A in verschiedene transversale Beugungsordnungen aufgespalten. Der Maßstab M hat keinen Einfluß auf die transversalen Strahlneigungen, da er keine beugende Transversal struktur aufweist. Beim zweiten Durchgang durch die Abtastteilung A′ werden die verschiedenen transver salen Beugungsordnungen überlagert und in verschie dene resultierende transversale Beugungsordnungen gelenkt. Beim zweiten Durchgang durch die Linse K′ werden die verschiedenen transversalen Beugungs ordnungen aufgespalten. In der Brennebene B ent steht für jede resultierende Beugungsordnung ein Lichtquellenbild.Each of these bundles of rays passes through the first time through the scanning graduation A into different transverse diffraction orders split. Of the Scale M has no influence on the transverse Beam tendencies since it is not a diffractive transverse has structure. The second time through the Scanning division A 'the different transver salen diffraction orders superimposed and in different resulting transverse diffraction orders directed. On the second pass through the lens K ′ are the different transverse diffraction split orders. In the focal plane B ent stands for each resulting diffraction order Light source image.

Die überlagerten transversalen Beugungsordnungen können je nach Gangunterschied konstruktiv oder destruktiv interferieren. Da der Gangunterschied von der Strahlneigung abhängt (Interferenzstreifen gleicher Neigung), erhält man in der Brennebene B der Linse K′ ein in Fig. 12 gezeigtes Streifensy stem S, S′ innerhalb der einzelnen Lichtquellenbil der.The superimposed transverse diffraction orders can interfere constructively or destructively depending on the path difference. Since the path difference depends on the beam inclination (interference fringes of the same inclination), one obtains in the focal plane B of the lens K 'a strip system shown in FIG. 12 S, S' within the individual light source images.

Bei einer Änderung des Abtastabstandes verschieben sich entweder diese Streifensysteme S, S′ oder die Intensitätsmodulation der Streifensysteme oszillie ren in ihrer Amplitude, die Streifen bleiben aber am selben Ort. Wird von einem Detektor D0, D+1, D-1 nur ein Bruchteil einer Streifenperiode erfaßt, so erhält man bei Abstandsänderungen in den beiden vorgenannten Fällen Signalschwankungen. Werden vom Detektor D0, D+1, D-1 eine oder mehrere Streifenpe rioden erfaßt, so erhält man durch Mittelung ab standsunabhängige Signale.If the scanning distance changes, move it either these strip systems S, S 'or the Intensity modulation of the stripe systems oscillation their amplitude, but the stripes remain at the same place. Is used by a detector D0, D + 1, D-1 only covers a fraction of a streak period, so you get when you change the distance in the two aforementioned cases signal fluctuations. Are from Detector D0, D + 1, D-1 one or more stripe pe periods recorded, one obtains by averaging independent signals.

Die Detektoren D0, D+1, D-1 müssen geeignet sein, Teilstrahlenbündel mit transversalen Strahlneigun gen Δ Θ (gemäß Fig. 10b) zu erfassen, die durch die Divergenz Θ_Div der auf die Abtastplatte A ein fallenden Teilstrahlenbündel begrenzt sind, wobei giltThe detectors D0, D + 1, D-1 must be suitable for detecting partial beams with transverse beam inclinations Δ Θ (according to FIG. 10b), which are limited by the divergence Θ _{Div of} the partial beams falling on the scanning plate A, where applicable

Bezogen auf die Ausbildung als Referenzmarke gemäß Fig. 1 bis 4 sind verschiedene Modifikationen der Teilungsstruktur darüber hinaus möglich:In relation to the design as a reference mark according to FIGS. 1 to 4, various modifications of the division structure are also possible:

- The web edge positions of the chirped division gene can be chosen so that the Fotoele ment D0 a push-pull signal and the photo elements D ± 1 each deliver a clock signal or vice versa returns.
- Since the photo elements D + 1 and D-1 have an identi generate signal waveform, this photo elements are connected in parallel. It can but also on one of these photo elements to be waived.
- The immunity to interference of the reference mark can be further improved by at least on one side of the division markings M1 of the scale M a deviating additional division structure M2 is attached. In the arrangement of Fig. 4 are adjacent to the chirped graduation fields A1 and M1, the toElement at Fo D0 generate a push-pull signal, bare on the scanning A window areas A2 and related on the scale M period Tei lung fields M2 arranged. In the zero position, light that reaches the periodic division fields M2 through the bare window areas A2 is deflected (small division period!) To such an extent that it no longer reaches the photo element D0. Outside the zero position, light strikes through the windows A2 on reflecting scale areas M3 and thus on the photo element D0 and increases the signal spacing of clock and push-pull signals in these scale positions.
- The switched clock and counter clock signal forms a noise-insensitive Re reference pulse, which is triggered for stability reasons at the zero level. Manufacturing tolerances usually require a comparison of the reference signal. In particular, the DC voltage component must be set. In an arrangement similar to Fig. 4, but in which the window areas A2 are larger than the associated division fields M2, this setting can be made with a screw. The screw limits the beam path through the enlarged window areas A2 to the bare scale areas M3 and thus determines the constant light level of the push-pull photo element D0.
- The expansion of the photo elements D0, D + 1, D-1 in Measuring direction X is at least so large that the resulting ± 1. (longitudinal) diffraction order the chirped divisions TA, TM on the Scanning plate A and the scale M completely, d. H. especially regarding the smallest loca len division period, and thus occurs high signal level is reached.

Bei Referenzmarken nach dem bereits eingangs ge nannten Stand der Technik (DE 34 16 864, EP 0 363 620, DE 35 09 102, EP 0 513 427), die auf einer Einfeld-Gegentakt-Abtastung basieren, ist nachtei lig, daß die Impulse für Takt- und Gegentaktsignal bezüglich Nutz- und Gleichlichtanteil prinzipbe dingt unterschiedlich groß sind.For reference marks after the ge mentioned prior art (DE 34 16 864, EP 0 363 620, DE 35 09 102, EP 0 513 427) which are based on a Single-field push-pull sampling is disadvantageous lig that the pulses for clock and push-pull signal with regard to the proportion of useful and constant light things are different sizes.

Der durch elektronische Differenzschaltung von Taktsignal ST und Gegentaktsignal SG erzeugte Refe renzimpuls liegt somit nicht optimal zum Nullpegel (Triggerpegel). Ein zusätzlicher Abgleichmechanis mus ist erforderlich, wie bereits anhand der Fig. 4 erläutert.The reference pulse generated by electronic differential switching of the clock signal ST and push-pull signal SG is therefore not optimally at the zero level (trigger level). An additional adjustment mechanism is required, as already explained with reference to FIG. 4.

Eine weitere Variante eines derartigen Abgleichs zeigt Fig. 13. Gezeigt ist nur ein Ausschnitt ei nes Maßstabes M und einer Abtastplatte A. Auf dem Maßstab M befindet sich eine an sich bekannte Refe renzmarke RM, vorzugsweise wie in Fig. 4 darge stellt. In Meßrichtung X davon beabstandet befindet sich ein Teilungsfeld FM, dessen Gitterlinien in Meßrichtung x verlaufen. Die davon benachbarten Bereiche C1, C2, C3 der Oberfläche des Maßstabes M sind reflektierend ausgestaltet, beispielsweise durch Aufbringen einer Chromschicht. A further variant of such a comparison is shown in FIG. 13. Only a section of a scale M and a scanning plate A is shown. On the scale M there is a known reference mark RM, preferably as shown in FIG. 4. At a distance from it in the measuring direction X there is a division field FM, the grating lines of which extend in the measuring direction x. The adjacent areas C1, C2, C3 of the surface of the scale M are designed to be reflective, for example by applying a chrome layer.

Dem Teilungsfeld FM des Maßstabes M ist ein gleich großes transparentes Feld FA auf der Abtastplatte A zugeordnet. Der Referenzmarke RM des Maßstabes M ist ein auf der Abtastplatte A befindliches Abtast feld RA zugeordnet, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Den Bereichen C1, C2, C3 des Maßstabes M sind auf der Abtastplatte A absorbierende Berei che C4, C5, C6 zugeordnet.An equally large transparent field FA on the scanning plate A is assigned to the division field FM of the scale M. The reference mark RM of the scale M is assigned to a scanning field RA located on the scanning plate A, as shown for example in FIG. 4. The areas C1, C2, C3 of the scale M are assigned to the scanning plate A absorbing areas C4, C5, C6.

In der näheren Umgebung des Referenzimpulsmaximums, bei der sich die Referenzmarke RM mit dem Abtast feld RA sowie das Teilungsfeld FM mit dem Feld FA zumindest weitgehend überdecken, trifft Licht durch das Feld FA auf das Teilungsfeld FM und wird in ± 1. transversaler Beugungsordnung abgelenkt und ge langt auf die Detektoren D+1, D-1.In the vicinity of the reference pulse maximum, where the reference mark RM with the scanning field RA and the division field FM with the field FA cover at least largely, light passes through the field FA on the division field FM and is in ± 1. transverse diffraction order distracted and ge reaches the detectors D + 1, D-1.

Diese Detektoren D+1, D-1 liefern das in Fig. 15a dargestellte Regelsignal-Takt RST mit einem Maximum an dieser Position P1. Durch die Ablenkung des Lichtstrahlenbündels am Teilungsfeld FM weist das vom Detektor D0 erzeugte Regelsignal-Gegentakt RSG gemäß Fig. 16a an dieser Position P1 ein Signalmi nimum auf. Das der Referenzmarke RM zugeordnete Lichtstrahlenbündel erzeugt mit dem Abtastfeld RA Teilstrahlenbündel, die analog der Beschreibung gemäß Fig. 1 bis 4 auf die Detektoren D0, D+1, D-1 treffen. Ohne Berücksichtigung der Teilstrahlen, die zu den Signalverläufen gemäß Fig. 15a, 16a führen, erhält man vom Detetor D0 das Referenzmar kensignal-Gegentakt RMG und von den Detektoren D+1, D-1 jeweils das Referenzmarkensignal-Takt RMT. Das Referenzmarkensignal-Gegentakt RMG ist in Fig. 16b und das Referenzmarkensignal-Takt RMT ist in Fig. 15b dargestellt. Durch Überlagerung der Signale RST und RMT auf den Detektoren D+1, D-1 wird das in Fig. 15c dargestellte Taktsignal ST als Summensignal erzeugt. Durch Überlagerung der Signale RSG und RMG auf dem Detektor D0 wird das in Fig. 16c dargestellte Gegentaktsignal SG als Summensignal erzeugt.These detectors D + 1, D-1 deliver the control signal clock RST shown in FIG. 15a with a maximum at this position P1. Due to the deflection of the light beam at the division field FM, the control signal push-pull RSG generated by the detector D0 according to FIG. 16a has a signal minimum at this position P1. The light beam bundle assigned to the reference mark RM generates partial beam bundles with the scanning field RA, which hit the detectors D0, D + 1, D-1 analogously to the description according to FIGS. 1 to 4. Excluding the sub-beams to the waveforms shown in FIG. 15a, lead 16a, is obtained from Detetor D0 the Referenzmar kensignal push-pull RMG and by the detectors D + 1, D-1, respectively, the reference mark signal clock RMT. The reference mark signal push-pull RMG is shown in FIG. 16b and the reference mark signal clock RMT is shown in FIG. 15b. By superimposing the signals RST and RMT on the detectors D + 1, D-1, the clock signal ST shown in FIG. 15c is generated as a sum signal. By superimposing the signals RSG and RMG on the detector D0, the push-pull signal SG shown in FIG. 16c is generated as a sum signal.

Durch das Zusammenwirken der Felder FA und FM bei der Abtastung wird außerhalb des Überdeckungsberei ches der zugehörigen Felder RM, RA bzw. FM, FA das Regelsignal-Gegentakt RSG angehoben und damit der Abstand der Signalpegel von Taktsignal ST und Ge gentaktsignal SG vergrößert. Damit verringert sich die Störempfindlichkeit der Meßvorrichtung. Ande rerseits wird im Bereich der Überdeckung durch die Wirkung des Regelsignales-Takt RST das Taktsignal ST angehoben. Mittels Schraube oder einer anderen variablen Blende wird der Strahlengang der durch die Felder FA und FM hindurchtritt partiell abge blendet, wodurch sich der Referenzimpuls relativ zum Triggerpegel einstellen läßt. Die nicht darge stellte Schraube oder Blende kann sich entweder zwischen Kondensor K, K′ und der Abtastplatte A oder in dem Bereich zwischen Lichtquelle L und Kon densor K, K′ befinden. Diese Ausgestaltung führt also neben dem eigentlichen Referenzimpulsabgleich zu einer Vergrößerung des Störabstandes zwischen Taktsignal ST und Gegentaktsignal SG außerhalb des Referenzimpulsmaximums, wie in Fig. 14 darge stellt. Der Signalpegel J ist als Funktion der Po sition P des Maßstabes M aufgetragen.Due to the interaction of the fields FA and FM during the scanning, the control signal push-pull RSG is raised outside the coverage area of the associated fields RM, RA or FM, FA, and thus the distance between the signal levels of the clock signal ST and the clock signal SG increases. This reduces the sensitivity of the measuring device to interference. On the other hand, the clock signal ST is raised in the area of coverage by the effect of the control signal clock RST. The beam path that passes through the fields FA and FM is partially dimmed by means of a screw or another variable diaphragm, as a result of which the reference pulse can be adjusted relative to the trigger level. The screw or diaphragm not shown can either be between the condenser K, K 'and the scanning plate A or in the area between the light source L and the condenser K, K'. In addition to the actual reference pulse adjustment, this configuration therefore leads to an increase in the signal-to-noise ratio between the clock signal ST and the push-pull signal SG outside the reference pulse maximum, as shown in FIG. 14. The signal level J is plotted as a function of the position P of the scale M.

In Fig. 17 sind auf dem Maßstab M die reflektie renden Bereiche C1, C2, C3 und das Teilungsfeld FM vertauscht. Damit erreicht man einen ähnlich gün stigen Signalverlauf wie zu den Fig. 13 bis 16 beschrieben, wenn man die Referenzmarke RM derart ausgestaltet, daß in 0. transversaler Beugungsord nung das Taktsignal ST erzeugt wird. Wie zu Fig. 13 beschrieben, kann zum Abgleich eine Blende dem transparenten Feld FA zugeordnet werden.In Fig. 17 on the scale M the reflecting areas C1, C2, C3 and the division field FM are interchanged. 13 to 16 thus described, when configured in the reference mark RM such that in transverse 0. Beugungsord the clock signal ST generated voltage to reach a similar gun Stigen waveform as to FIGS.. As described for FIG. 13, a diaphragm can be assigned to the transparent field FA for comparison.

Gemäß der Erfindung wird also der Abgleich reali siert durch das Zusammenwirken von zusätzlich auf Abtastplatte A und Maßstab M jeweils neben der Re ferenzmarke RM befindlichen Feldern. Diese Felder können transparent, reflektierend, als Gitter, Prismen, Holografisch-optische Elemente, Diffrak tiv-optische Elemente etc. ausgebildet sein, sowohl abbildende als auch nicht abbildende Eigenschaften aufweisen. Ein definiertes Abschatten (verschieb bare Blende oder Schraube) bewirkt eine Regelung des Signalpegels von Taktsignal ST oder Gegentakt signal SG.According to the invention, the comparison is thus reali based on the interaction of additional Scanning plate A and scale M each next to the right fields marked RM. These fields can be transparent, reflective, as a grid, Prisms, holographic optical elements, diffraction tiv-optical elements, etc., both imaging and non-imaging properties exhibit. A defined shadow (move bare aperture or screw) causes regulation the signal level of clock signal ST or push-pull signal SG.

Die Erfindung ist nicht auf den Abgleich von Referenzmarkensignalen beschränkt, sondern sinngemäß auch zum Abgleich der analogen Abtastsignale eines inkrementalen oder codierten Meßsystems einsetzbar.The invention is not based on the comparison of Reference mark signals limited, but analogously also for the comparison of the analog Incremental or encoded strobe signals Measuring system can be used.

Die Erfindung gemäß der Fig. 1 bis 17 ist selbstverständlich auch bei Winkelmeßsystemen anwendbar, wobei die Abtastung im Durchlicht oder im Auflicht erfolgen kann.The invention according to FIGS. 1 to 17 can of course also be used in angle measuring systems, wherein the scanning can take place in transmitted light or in incident light.

Claims

1. Device for generating position-dependent Signals, with a light source (L), a measure embodiment (M, M ′) and at least one of these scanning scanning plate (A, A ', A' '), the Material measure (M, M ') an amplitude or Has phase division (TM, TM ') and the min least one scanning plate (A, A ′, A ′ ′) a phase division (TA) has its markings (GS) Have phase divisions, their line directions at least largely parallel to the Meßrich tion (X) run, either one such ge scanning plate (A, A ', A' ') of the light beam lenbündel is run through twice, or that Beams of light at least two such Scanning plates (A, A ', A' ') passes through, and that also the transversely split partial beam len bundle of detectors (D0, D + 1, D-1) to Er generate the position-dependent signals (ST, SG) be recorded.

2. Device for generating position-dependent Signals, with a light source (L), a measure embodiment (M, M ′) and at least one of these scanning scanning plate (A, A ', A' '), the Material measure (M, M ') an amplitude or Phase division (TM; TM ') has and also we at least one optical deflection element (FM) the material measure (M, M ') and / or the scanning plate (A, A ') is provided and the deflecting ment (FM) is of such a kind that excl light deflected or undeflected a detector located in the beam path (D0, D + 1, D-1) acted upon in dependency the position of one in the beam path sensitive adjustable aperture, so that the Pe gel of the signal (ST) is adjustable.